Расчет и проектирование МДП-транзистора (стр. 1 из 5)
Содержание
ВВЕДЕНИЕ. 2
1СВЕДЕНИЯ И ПОНЯТИЯ О МДП-ТРАНЗИСТОРАХ.. 4
1.1Свойства МДП-структуры (металл–диэлектрик– –полупроводник). 4
1.2Типы и устройство полевых транзисторов. 7
1.3Принцип работы МДП-транзистора. 9
1.4Выбор знаков напряжений в МДП-транзисторе. 11
1.5Характеристики МДП-транзистора в области плавного канала. 14
1.6Характеристики МДП-транзистора в области отсечки. 19
1.7Влияние типа канала на вольт-амперные характеристики МДП-транзисторов 24
1.8 Эквивалентная схема и быстродействие МДП-транзистора. 26
2РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК МДП-ТРАНЗИСТОРА НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ.. 29
2.1Основные сведения об арсениде галлия. 29
2.2Основные параметры МДП-транзистора. 31
2.3Расчет параметров МДП-транзистора. 31
ВЫВОДЫ.. 36
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………36
Среди многочисленных разновидностей полевых транзисторов, возможно, выделить два основных класса: полевые транзисторы с затвором в виде pn перехода и полевые транзисторы с затвором, изолированным от рабочего полупроводникового объема диэлектриком. Приборы этого класса часто так же называют МДП-транзисторами (от словосочетания металл-диэлектрик-полупроводник) и МОП транзисторами (от словосочетания металл-окисел - полупроводник), поскольку в качестве диэлектрика чаще всего используется окись кремния.
Основной особенностью полевых транзисторов, по сравнению с биполярными, является их высокое входное сопротивление, которое может достигать 109 - 1010 Ом. Таким образом, эти приборы можно рассматривать как управляемые потенциалом, что позволяет на их основе создать схемы с чрезвычайно низким потреблением энергии в статическом режиме. Последнее особенно существенно для электронных статических микросхем памяти с большим количеством запоминающих ячеек.
Так же как и биполярные полевые транзисторы могут работать в ключевом режиме, однако падение напряжения на них во включенном состоянии весьма значительно, поэтому эффективность их работы в мощных схемах меньше, чем у биполярных приборов.
Полевые транзисторы могут иметь как p, так и n управление которыми осуществляется при разной полярности на затворах. Это свойство комплементарности расширяет возможности при конструировании схем и широко используется при создании запоминающих ячеек и цифровых схем на основе МДП транзисторов (CMOS схемы).
Полевые транзисторы относятся к приборам униполярного типа, это означает, что принцип их действия основан на дрейфе основных носителей заряда. Последнее обстоятельство значительно упрощает их анализ по сравнению с биполярными приборами, поскольку, в первом приближении, возможно, пренебречь диффузионными токами, неосновными носителями заряда и их рекомбинацией [9].
1 СВЕДЕНИЯ И ПОНЯТИЯ О МДП-ТРАНЗИСТОРАХ
1.1 Свойства МДП-структуры (металл–диэлектрик–полупроводник)
В основе работы полевых транзисторов с изолированным затвором лежат свойства МДП-структуры (рис. 1.1).
Рисунок 1.1 - Пример МДП-структуры.
По существу эта структура представляет плоский конденсатор одной из обкладок которого служит металл (затвор), второй полупроводник. Особенность такого МДП конденсатора по отношению к классическому МДМ конденсатору в том, что в объеме полупроводника заряд может быть связан с носителями разной физической природы и разной полярности: свободными электронами и дырками, заряженными положительно ионизованными донорами, заряженными отрицательно ионизованными акцепторами, а так же заряженными дефектами. В МДП-структуре в отличие от p-n перехода существует гетерограница разделяющая две среды с различной структурой это, например, граница, разделяющая полупроводник и его окисле или другой диэлектрик или полупроводник и воздух (вакуум). На свободной границе полупроводника имеется большое количество оборванных связей стремящихся захватить заряд из объема полупроводника, а так же связей вступивших в реакцию с сооседней средой и пассивированных этой средой, кроме того, на поверхности могут находиться посторонние примесные атомы и ионы. Таким образом, на свободной поверхности и гетеропереходе металл-диэлектрик уже в начальном состоянии может находиться некоторый заряд, который индуцирует равный ему по величине и противоположный по знаку заряд в объеме полупроводника [13].
Если зарядить одну из обкладок МДП конденсатора - затвор, то на второй - полупроводниковой обкладке должен появиться заряд равный по величине и противоположный по знаку, который будет связан с поверхностными состояниями, ионизованными атомами примеси и свободными носителями заряда.
Рисунок 1.2 - Изменение поверхностной проводимости полупроводнка в МДП структуре:
1 - полупроводник n типа,
2 - собственный полупроводник,
3 - полупроводник p типа.
Если индуцированный внешним полем заряд на полупроводниковой обкладке превышает изменение заряда на поверхностных состояниях, то в приповерхностной области полупроводника происходит изменение концентрации свободных носителей заряда, что сопровождается изменением поверхностной проводимости (см. рис. 1.2) и соответственно протекающего вдоль поверхности тока, в случае если имеется направленное вдоль поверхности поле, как это показано на вставке рис. 1.2 [5].
В той приповерхностной полупроводниковой области, где существует электрическое поле, имеется обедненная носителями область пространственного заряда, аналогичная по свойствам области ОПЗ pn перехода, работающая как диэлектрик. При изменении потенциала на металлической (затворе) обкладке МДП конденсатора будет изменяться заряд ОПЗ и соответственно ширина обедненной области. При этом будет изменяться емкость МДП-структуры. Зависимости емкости МДП-структур от напряжения показаны на рис. 1.3.
Рисунок 1.3 - Изменение емкости МДП-структур от напряжения на затворе:
1 - полупроводник n типа,
2 - собственный полупроводник,
3 - полупроводник p типа.
Емкость МДП-структуры можно рассматривать как состоящую из двух последовательно включенных емкостей: емкости диэлектрика - Сд и емкости слоя пространственного заряда в полупроводнике Спп.
(1.1)Если Сд >> Спп, то можно с хорошим приближение считать, что емкость структуры определяется емкость ОПЗ, т.е. С = Спп.
Если Спп >> Сд, то приближенно можно считать, что С = Сд, поэтому максимальное значение емкости на рис. 1.3 ограничено линией С = Сд.
Следует обратить внимание на то, что на всех кривых рис. 1.2 и рис. 1.3 имеются точки минимума. Это точки соответствуют случаю минимальной поверхностной проводимости, которая имеет место, когда на поверхности концентрации электронов и дырок близки к собственной и равны друг другу, тогда увеличение потенциала затвора относительно значения соответствующего точке минимума должно обогащать поверхность дырками, а уменьшение потенциала относительно потенциала точки минимума должно обогащать поверхность дырками. При этом соответственно с разных сторон от точки минимума должен наблюдаться разный тип проводимости в приповерхностной области [4].
1.2 Типы и устройство полевых транзисторов
Полевые, или униполярные, транзисторы в качестве основного физического принципа используют эффект поля. В отличие от биполярных транзисторов, у которых оба типа носителей, как основные, так и неосновные, являются ответственными за транзисторный эффект, в полевых транзисторах для реализации транзисторного эффекта применятся только один тип носителей. По этой причине полевые транзисторы называют униполярными. В зависимости от условий реализации эффекта поля полевые транзисторы делятся на два класса: полевые транзисторы с изолированным затвором и полевые транзисторы с затвором в виде p-n-перехода [8].
К полевым транзисторам с изолированным затвором относятся МДП-транзисторы, МНОП-элементы памяти, МДП-транзисторы с плавающим затвором, приборы с зарядовой связью (ПЗС-структуры), МДП-фотоприемники. К полевым транзисторам с затвором в виде p-n-перехода относятся транзисторы с затвором в виде барьера Шоттки, с затвором в виде обычного p-n-перехода и с затвором в виде гетероперехода. Отметим, что в качестве дискретных элементов разработаны и имеют применение МДП-транзисторы и транзисторы с затвором в виде обычного p-n-перехода. Остальные типы полевых транзисторов используются только в интегральном исполнении как фрагменты интегральных схем.
Рассмотрим на примере МДП-транзистора основные элементы структуры полевых транзисторов. На рис. 1.4 приведена топология МДП-транзистора [5].
Рисунок 1.4 - Топология и основные элементы МДП-транзистора.
Термин «МДП-транзистор» используется для обозначения полевых транзисторов, в которых управляющий электрод - затвор отделен от активной области полевого транзистора диэлектрической прослойкой – изолятором. Основным элементом для этих транзисторов является структура металл–диэлектрик–полупроводник. По этой причине в названии транзистора используется аббревиатура МДП. Монокристаллический полупроводник n- или p-типа, на котором изготавливается МДП-транзистор, получил название подложки. Две сильнолегированные области противоположного с подложкой типа проводимости получили названия истоки сток. Область полупроводниковой подложки, находящаяся под затвором между истоком и стоком, называется каналом. Диэлектрический слой, расположенный между затвором и каналом, получил название подзатворного диэлектрика. В качестве полупроводниковой подложки в большинстве МДП-транзисторов используется GaAsи подзатворный диэлектрик. По этой причине как синоним для МДП-транзисторов применяется термин «МОП-транзистор». Канал в МДП-транзисторах может быть как индуцированным, так и встроенным [7].